对量子计算机可能轻易破解以往安全的通信的担忧促使研究人员致力于开发创新的新方法来加密信息。其中一种方法是量子密钥分发（QKD），这是一种安全的基于量子的方式，在这种方式中，窃听尝试会干扰量子状态，使得未经授权的拦截立即可被检测到。
之前对此解决方案的尝试受到短距离和对特殊设备的依赖限制，但中国的一个研究团队最近展示了在更长距离上维持量子加密的能力。这项研究发表在科学期刊上，描述了在长达100公里的光纤上进行的两个单原子节点之间的设备无关QKD（DI-QKD）。
QKD中的设备独立性
QKD实现了安全通信，但仍然需要使用介质，如光纤电缆。在这些光纤中，量子粒子的传输效率随着距离的增加而呈指数级下降。为了增加传输距离，使用设备来提升传输效率。不过，这些设备也带来了另一个问题。这些设备需要精确的校准以确保安全，这在实际应用中就变得不太方便，限制了可扩展性。
这个解决方案被认为是量子密钥分发（QKD）中的设备无关的特性，也称为DI-QKD系统，它使用量子纠缠粒子。如果黑客试图拦截，纠缠状态就会被破坏。通信必须仅在发送者和预期接收者之间进行。
然而，这种方法也有其自身的局限性。早期的DI-QKD使用被捕获的离子或光子，仅在几百米的短距离内实现了正的密钥生成速率。后来，量子频率转换和单光子干涉的进展提高了纠缠距离，但仍然不足以在DI-QKD中实现实际应用。纠缠保真度和检测效率的技术难题仍然困扰着这些技术的研究人员。
突破极限
在这项新研究中，研究人员通过采用单光子干涉来减少光纤损耗——这种方法是通过使用探测器来宣布成功创建状态，从而按需生成量子纠缠对。他们还采用了量子频率转换来降低损耗的通信波长。在测试距离为11、20、50、70和100公里的情况下，实现了高保真度的原子间纠缠和正的安全密钥生成速率。
研究作者写道：“使用单光子干涉方案进行远程纠缠预警使我们获得的城市纠缠速度比之前基于双光子的DI-QKD实验方案高出几个数量级。”
团队指出，CHSH贝尔不等式的违反在所有距离上都得以维持，这通过证明量子纠缠的存在来保证安全，安全密钥生成的距离可达100公里。
剩余的限制和未来潜力
不过，DI-QKD要实现广泛应用可能还需要一段时间。实验中的所有节点都在同一个实验室，因此局部性漏洞还没有解决。而且，由于光纤损耗，事件发生率还是会随着距离的增加而降低。然而，未来可能通过使用低损耗光纤和改进频率转换技术来进一步增加传输距离。
研究作者写道：“在大都市规模上演示设备无关量子密钥分发（QKD）有助于缩小原理验证量子网络实验与现实世界应用之间的差距。除了设备无关的量子密钥分发（QKD），本文演示的架构还提供了一个多功能平台，用于设备无关量子随机数生成（DI-QRNG）、量子设备的自我测试功能以及量子力学的基本测试。
“此外，我们演示的高保真纠缠不仅可以作为量子网络应用的宝贵资源，还可以作为扩展量子网络的基础构件。”
更多信息：陆博伟及其团队，基于单原子的设备无关的量子密钥分发超过100公里的距离，《科学》 (2026)。 DOI: 10.1126/science.aec6243
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